Optimierung der Anwendbarkeit der Probabilistik in der Dimensionierung und Substanzbewertung von Betonstraßen

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wird das Programm ConCalc entwickelt, welches die RDO Beton 09 um simulationsbasierte Verfahren erweitert. Hierzu wird erstens die Deterministik auf die Finnite-Elemente-Methode (FEM) umgestellt, damit aktuell vorhandene Einschränkungen überwunden werden können. Zweitens wird eine Probabilistik im-plementiert, um Ausfallwahrscheinlichkeiten berechnen zu können.

In erster Linie werden die Lastfälle der RDO Beton 09 mit FE präzise nachgebildet, so dass eine Alternative zur klassischen Berechnung mit analytischen Lösungen bereitgestellt wird. Eine Parameterstudie stellte u. a. heraus, dass das den RDO Beton 09 zugrundeliegende Prinzip der Superposition von Ver¬kehrs- und Temperaturlast nicht gilt. Daher sind zur Weiterentwicklung der RDO Beton 09 weitere Untersuchungen nötig.

Die Modellierungsmöglichkeiten von ConCalc gehen weit über die der RDO Beton 09 hinaus und umfassen unter anderem:

• Die Interaktion der Betonplatte mit der Unterlage mittels
-Kontaktmechanik mit Volumenmodellen oder
-zugfreier Winklerbettung.

• Die Berücksichtigung von Dübeln und Ankern als Festkörper in Mehrplattenmodellen zur Analyse der Interaktion im Fugenbereich, sowie

• die Abbildung nichtlinearer Temperaturverläufe.

Neben den genannten Erweiterungen, bestehen mit der FEM nahezu unbegrenzte Möglichkeiten zur Weiterentwicklung.

Zur Durchführung von Berechnungen unter Anwendung der probabilistischen Verfahrensweise werden bestehende Formulierungen zu probabilistischen Bewertungsansätzen implementiert. Unter Berücksichtigung variierender Eingangsgrößen, können somit Ausfallwahrscheinlichkeiten berechnet werden.

Da das Programm vornehmlich Forschungszwe¬cken dienen soll, müssen Erweiterungen bzw. Änderungen einfach möglich sein. Daher ist ConCalc modular gestaltet und wird in vier Haupt- und mehrere untergeordnete Module unterteilt, die sich einzeln ersetzen lassen. Die Module kommunizieren nur über menschenlesbare Dateiformate, was die Wartbarkeit und Fehlersuche vereinfacht. Soweit möglich wird auf quelloffene und etablierte Softwarelösungen zurückgegriffen, um die zukünftige Anwendbarkeit und Updates zu gewährleisten. Diese Punkte sind für unkomplizierte und zukunftsfähige Weiterentwicklungen essentiell.

Die nachfolgend beschriebenen Hauptmodule sind komplett skriptbar.

Um der Erweiterbarkeit Rechnung zu tragen wird die Benutzeroberfläche zur Konfiguration der Berechnung flexibel und anwenderfreundlich mit eingebundenen Drop-Down-Menüs und ausgewählten Eingabefeldern in Excel gestaltet.
Die grafische Oberfläche exportiert eine übersichtlich formatierte Eingabedatei für ConCalc im verbreiteten JSON-Format. Damit ist es ebenfalls möglich bei Bedarf die grafische Oberfläche zu umgehen und die Eingabedateien manuell oder geskriptet zu erstellen.

Der in Matlab geschriebene Präprozessor erstellt Eingabedateien zur Geometrie- und Netzerstellung mittels GMSH. Die von GMSH exportierten Netzdaten werden anschließend vom Präprozessor u. a. um Randbedingungen und Materialdaten ergänzt um lauffähige Eingabedateien im Abaqus-Format zu erhalten.

Der ebenfalls in Matlab geschriebene FE-Rechenkern liest die Eingabedaten, führt die Berechnung aus und schreibt Ergebnisdateien für den Postprozessor. Die implementierten Algorithmen wurden gründlich anhand analytischer und numerischer Referenzlösungen verifiziert.

Ein wesentlicher Aspekt liegt in der Reduzierung der Rechenzeit von ConCalc. Dies ist insbesondere in Hinblick auf Sensitivitätsanalysen sowie die Anbindung der probabilistischen Verfahrensweise erforderlich. Zur Beschleunigung wurde ein Verfahren zur projektionsbasierten Modellreduktion imple¬mentiert. Neben der Optimierung der Rechenzeit für die Einzelrechnung besteht außerdem die Möglichkeit, verschiedene Berechnungen, voneinander gänzlich unabhängig, zu parallelisieren. Das Maß der Parallelisierbarkeit und der Reduzierung des Rechenaufwandes ist dabei von der verfügbaren Hardware und dem Bedarf an Genauigkeit abhängig.

Die Visualisierung der Ergebnisse übernimmt Paraview, wofür Dateien im Visualization-Toolkit-Format geschrieben werden. Zur Dimensionierung und Bewertung wird die maximale Zugspannung identifiziert.
Mit ConCalc steht ein Code zur Verfügung, der alle notwendigen Voraussetzungen für die Umstellung der RDO Beton auf ein FEM-basiertes Verfahren erfüllt. Aufgrund seines modularen Aufbaus und seiner numerischen Effizienz ist ConCalc für die Weiterentwicklung der RDO Beton und für Forschungszwecke geeignet. Darüber hinaus bietet ConCalc einen Code, mit dem erstmals FEM-Berechnungen mit der probabilistischen Methode durchgeführt werden können.